Pigmenti antiossidanti
di origine vegetale
Dai prodotti naturaliall’ingegneria genetica per fini nutrizionali
Carlo Rosati - ENEA C.R. Trisaia
Valore commerciale importazioni di coloranti naturali(1998)
Pigmenti: tannini (cortecce, radici)antociani, flavoni, auronilicopene, caroteni xantofilleindigo (Indigofera spp.)naftochinoni (Henna tree, noce)antrachinoni (Lac tree, cocciniglia, Rubia spp.)benzofironi (logwood)betalaine (Caryophyllales, Amanita,...)clorofilla
UE: >70M US$USA: >40M US$
} flavonoidi
} carotenoidi
I principali pigmenti di origine vegetale
- Carotenoidi
- Flavonoidi: antociani, flavoni, tannini
- Betalaine (Caryophyllales, Amanita)
- Clorofilla
Foglie senescenti Fiori
epidermide
epidermide
mesofillo
UV
Carotenoidi Flavonoidi .
Metabolismo primario secondarioFunzioni Fotosintesi, foto-quenching protez. stress (UV, patogeni, insetti)
Attrazione, simbiosi, etc. Attrazione, Fertilità, simbiosi, etc.Luogo di Sintesi Plastidi (citoplasma) Citoplasma Accumulo in: cloroplasto (foglie) vacuolo
cromoplasto (pomodoro, carota, ...)
vacuolo (croco)
Carotenodi e Flavonoidi hanno
vie biosintetiche INDIPENDENTI
Flavonoidi e Carotenoidi hanno
proprietà ANTI�OSSIDANTI
•“Scavenging” di radicali liberi (fumo, smog, alcool,...)
R., ROX + anti-ox. Forma “inattiva”
•Anti-ossidazione lipidi (protezione membrane cellulari)
•Anti-U.V./invecchiamento (creme solari, cosmetici)
•Paradosso francese (resveratrolo, antociani, tannini)
•Pro-vitamina A, sinergia con vitamine ACE
I Flavonoidi
Winkel-Shirley, 2001 Jaakola et al., 2001
Cocciolone et al., 2002Farzad et al., 2003
I Flavonoidi
Jaakola et al., 2001
Esempi
Mirtillo, Ribes, Uva, …
Melo, Pero, Ciliegio,Rosa, ...
Lampone, Fragola, ...
•Creazione varietale: colore fiori (1987), foglie, …•Resistenza a patogeni•Digeribilità foraggi (anti-meteorismo)•Produzione pigmenti (in planta e in vitro)
Flavonoidi: ingegneria genetica
FUTURO-PRESENTE:•Salute=Prevenzione (vs colesterolo, tumori, infarto)•Fitoestrogeni (vs menopausa, osteoporosi)
The Holy Grails...•Rosa blu (Florigene; già Calgene Pacific, est. 1986)
•Simbiosi batteri N2fix in piante non-Leguminose
I Flavonoidi e le Biotecnologie
Winkel-Shirley, 2001
Zuker et al., 2002
Shimada et al., 1999
Ray et al., 200335S::Lc
Rosati et al., 2003
La biosintesi dei Carotenoidi
Cunningham & Gantt, 1998
Isoprenoidi
Giuliano et al., 2000
I Carotenoidinelle piante
Bixa orellanaBouvier et al., 2003
alghe, batteri
crostacei
pesci, uccelli
melone,pesca,albicocca...
CrocoBouvier et al., 2003
Il bu$ine$$ dei Carotenoidi...
… e delle vitamine
Annatto?0,6-2 US$/kg
10.000 t = 6-20 M US$
Carotenoidi eBiotech vegetaliMercato mondiale:>500 M US$ (Albrecht et al., 2000)
Isoprenoidi
Mann et al., 2000Astaxanthina? (Patents pending)
(2-5000 US$/kg, 15% costo produzione salmone)
(crtB)
Crocetina & co.?(1000 ¤/kg)
6-15x Vit.E Cahoon et al., 2003
Golden canolaShewmaker et al., 1999
300x
pNapin+TP
Golden rice Ye et al., 2000300g = 10% RDA
Varip+geni
Capacità antiossidante
10x β-carotene
100-500x vit.E
Golden tomatoRomer et al., 2000
Rosati et al., 20007x, 120g = 100% RDA
Pds+crt
Pds +plant
HO
OH
zeaxanthin
lycopene
β-carotene
Fonti primarie di carotenoidiimportanti dal punto di vista nutrizionale
Pds β-Lcy Nos
B) sovra-espressione
Pds β-Lcy Nos
C) Antisenso
A) Fenotipo originale
0
100
200 Lycopene ββββ-carotene Xanthophylls
µ µµµg/g
m fr
esh
wei
ght
AntisenseParentalOverexpressors
Fino a 500 µµµµg beta-carotene / g DW (>300 volte rispetto al Golden Rice)
OH
HOO
OH
HOO
O
OH
HO
ββββ -LCYLicopene
ββββ-carotene
ZEP VDE
Violaxantina
Anteraxantina
Zeaxantina
B/NXS
CHY
B/NXS
ZEP VDE
HO
C
OH
OH
Neoxantina
Ingegneria nutrizionale della pro-vit.A in pomodoro:sovra-espressione o sotto-espressione della lyβcy
Pds β-Chy Nos
in B (IL)
Pds β-Chy Nos
Pds β-Lcy Nos
+
in Money-maker
Lyco
Beta
Zea+Cr
Lut
MM BMM(B+C) B(C)
OH
HO
Lycopene
β-carotene
Zeaxanthin
β-cryptoxanthin
β-Lcy
β-Chy
β-Chy
OH
Ingegneria genetica del contenuto di xantofille nel pomodoro:espressione della lyβcy e della β-chy
Grafico1
0
500
1000
1500
2000
2_20 3_3 42-37T0
42-37T1-1
42-37T1-2
42-37T1-3
MM 1 MM 2
Line
tot Xanthob-CaroteneLycopene
Contenuto in carotenoidi
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
3/3 (3) 42/37 T0 42/37 T1
(1)
42/37 T1
(2)
42/37 T1
(3)
M M
SE
AVG
Consistenza del frutto
Pds β-Chy Nos
in Money-maker
Effetti-paradosso dell’ingegneria genetica:il β-carotene che non ti aspetti...
Regolazione genica�Uso promotori tessuto/organello specifici per ingegneria “mirata”
Ingegneria metabolica per fini nutrizionali
Risultati importanti, già sfruttabili per la produzione e nel breeding
Nella maggior parte dei casi, si ottiene il risultato atteso…ma a volte… ????
Conclusioni
In attesa dei “Golden Crops”, sfruttare le risorse naturali:
MANGIATE FRUTTA E VERDURA E BEVETE VINO ROSSO!!!
•G. Giuliano, G. Diretto, L. Giliberto (ENEA Casaccia)
•R. Tavazza (ENEA Casaccia)
•G. Perrotta (ENEA Trisaia)
•B. Camara (CNRS Strasbourg, Francia)
•S. Martens (Univ. Marburg, Germania)
•D. Treutter (Univ. Monaco, Germania)
Collaborazioni
AcknowledgmentsAcknowledgmentsENEACarlo RosatiPatrizia PallaraRaffaela TavazzaLeonardo GilibertoGaetano PerrottaGianfranco Diretto
Univ. HalleThomas FesterDieter Strack
Funding:European CommissionItalian Ministry of ResearchItalian Ministry of Agriculture
Postdoctoral positions availableContact: [email protected] Strasbourg
Florence BouvierBilal Camara
Univ FreiburgJohannes von LintigRalf WelschPeter Beyer